楊 興 倪演海

(1. 漢口學院機電工程學院， 武漢 430212； 2. 桂林激光器通信研究所， 廣西 桂林 541004)

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基于回波損耗測量的光纖閾值溫度傳感器設(shè)計

楊 興1倪演海2

(1. 漢口學院機電工程學院， 武漢 430212； 2. 桂林激光器通信研究所， 廣西 桂林 541004)

設(shè)計了1種光纖型閾值溫度傳感器。在閾值溫度以下時，傳感器的回波損耗保持在一個固定的值；在閾值溫度以上時，傳感器的回波損耗保持在另一個固定值。傳感系統(tǒng)主機不斷測量傳感器的回波損耗，一旦發(fā)現(xiàn)回波損耗發(fā)生了較大變化時，則可知被監(jiān)測區(qū)域的溫度達到了閾值。使用單模光纖跳線、石蠟和水，制作了傳感器樣品，并進行了實驗。結(jié)果表明，制作的傳感器基本滿足設(shè)計要求，可以實現(xiàn)閾值溫度傳感的目的。

溫度傳感器； 回波損耗； 閾值溫度

近年來，光纖型傳感器受到廣泛關(guān)注，尤其是分布式和準分布式的各種溫度、應(yīng)力或振動傳感技術(shù)發(fā)展較快，在各個領(lǐng)域得到了迅速推廣和應(yīng)用[1-3]。在溫度傳感領(lǐng)域，基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器、基于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感器以及基于光纖光柵的準分布式光纖溫度傳感器，是最常用的幾種光纖型傳感器。這些傳感器具有安全性好、探測距離長、安裝靈活等優(yōu)點，在核電站、變電站和石油、天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域的安全監(jiān)測方面發(fā)揮了巨大的作用[4-5]。然而，這些傳感系統(tǒng)相對較復(fù)雜，價格也相對較高，在一般的工業(yè)或民用領(lǐng)域，如糧倉、物流倉庫、地窖、商場等地方的溫度監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警之類的安防系統(tǒng)應(yīng)用場合，并不容易被接受。一種基于形狀記憶合金的光纖溫度閾值執(zhí)行器[6]，提供了低成本的溫度傳感方案。有鑒于此，設(shè)計了一種基于回波損耗測量的光纖閾值溫度傳感器。

1 傳感器的工作原理

光學中的回波損耗是指反射光功率相對于入射光功率的損耗，其數(shù)學定義式為：

(1)

式中：RL—— 回波損耗，dB；

Pr—— 反射功率，mW或W；

Pi—— 入射功率，mW或W。

反射功率與入射功率之間的關(guān)系又可以用反射系數(shù)R表示，即：

(2)

因此，回波損耗的計算公式可以寫為：

RL=-10lgR

(3)

基于回波損耗測量的光纖閾值溫度傳感器的基本工作原理是：當外界溫度到達或超過閾值時，傳感器的回波損耗會發(fā)生明顯改變；如果傳感系統(tǒng)檢測到這個改變，則認為被監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境溫度達到或超過了閾值。

設(shè)計的光纖閾值溫度傳感器，通過改變接觸面介質(zhì)折射率來改變反射系數(shù)，以感應(yīng)回波損耗的變化。當光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在界面上會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。菲涅爾公式表明，在光正入射的情況下，反射率與2種介質(zhì)的折射率的關(guān)系見式(4)：

(4)

式中：n1和n2分別表示第1和第2種介質(zhì)的折射率。傳感器的回波損耗可以用折射率表示：

(5)

設(shè)計的光纖閾值溫度傳感器，在正入射狀態(tài)時，第1種介質(zhì)是光纖，其折射率為1.468。第2種介質(zhì)，在閾值溫度以下時，是空氣，其折射率為1.000；在閾值溫度以上時，是水，其折射率為1.333。因此，由式(5)計算得到：RLUTT=14.44 dB，RLOTT=26.34 dB。其中，RLUTT表示閾值溫度以下時傳感器的回波損耗，RLOTT表示閾值溫度以上時傳感器的回波損耗。2種情況下的回波損耗之差為11.9 dB，變化非常明顯，這對于傳感系統(tǒng)的測量和判斷非常有利。

2 傳感器設(shè)計與制作

光纖閾值溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光纖閾值溫度傳感器由1根普通的皮線光纖跳線加工制作而成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。光纖跳線的2個連接頭都是FCUPC類型。FC表示跳線的連接方式為螺旋鎖緊方式，UPC表示跳線的接觸端面類型為超級物理接觸類型，亦即為平面型。圖1中，連接頭是1個典型的FCUPC結(jié)構(gòu)，跟傳感系統(tǒng)或者說回波損耗測量系統(tǒng)連接；中間部分是1段皮線光纖，提供激光傳遞通道；右邊部分是傳感器主體部分，它是由拆卸掉FC連接頭之后再經(jīng)過幾道工序而制作成的閾值溫度傳感部分，用于探測被監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境溫度。

傳感器的主體部分有1個陶瓷芯。該陶瓷芯的端面處就是光纖與另外1種介質(zhì)的接觸界面。采用UPC端面，可滿足光的正入射條件。與UPC端面接觸的是空氣時，傳感器的回波損耗為14.44 dB；如果與UPC端面接觸的是水，則傳感器的回波損耗為26.34 dB。因此，制作傳感器時，首先采用一層薄薄的石蠟，將陶瓷芯密封，但是又要留出一定的空隙，使陶瓷芯的端面保持與空氣接觸；其次將陶瓷芯和石蠟一起放到金屬外殼中，并在其中灌滿水，最后將金屬殼密封。

設(shè)計制作的傳感器，其關(guān)鍵部分是圖1所示的石蠟層。在常溫下，石蠟為固態(tài)且不溶于水，這樣，就可以保持陶瓷芯端面跟空氣接觸，使得傳感系統(tǒng)測得的回波損耗保持在14.44 dB。當溫度慢慢升高到一定值(閾值溫度)，如60℃以后，石蠟開始融化變成液體，此時，包裹在陶瓷芯外面的石蠟層將會破裂；在重力作用下，水將會填充在陶瓷芯的周圍，此時陶瓷芯端面不再跟空氣接觸，而是變成跟水接觸，使得傳感系統(tǒng)測得的回波損耗為26.34 dB。由此，傳感系統(tǒng)就會得知，被監(jiān)測區(qū)域的溫度已經(jīng)到達了閾值溫度。

設(shè)計制作的傳感器使用了1根皮線型的光纖跳線，主要是為了方便傳感系統(tǒng)的安裝、使用和維護。實際上，光纖跳線還可以是1根光纜或者是1根裸光纖，這取決于具體的應(yīng)用場合。另外，需特別指出的是，光纖跳線的長度基本不受限制，亦即傳感器的長度可以是1 m，也可是100 km，其極限長度由回波損耗測量系統(tǒng)的量程和光纖的衰減系數(shù)決定。此外，圖1中的連接頭，并不局限于FCUPC型式，它的連接方式還可以是SC、ST、LC等，它的端面形式還可以是APC。不過，為了保證光為正入射，傳感部分的陶瓷芯必須是UPC端面。

3 實驗結(jié)果

設(shè)計制作了幾根光纖閾值溫度傳感器樣品，使用1臺光回波損耗測試儀測量了樣品在不同溫度下的回波損耗。幾組典型實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 典型實驗數(shù)據(jù)

典型實驗使用的石蠟是60號(亦即融化溫度為60 ℃)全精煉石蠟，測試波長為1 550 nm。實驗表明，在55 ℃以下時，傳感器的回波損耗一直保持在15.0 dB左右；而當溫度超過60 ℃以后，傳感器的回波損耗一直保持在26.0 dB左右。分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)回波損耗發(fā)生突變時的閾值溫度并不是設(shè)計時預(yù)想的60 ℃，而是介于55 ℃～60 ℃。這是由于傳感器制作時包裹在陶瓷芯外面的石蠟層的厚度不一致引起的?？梢酝ㄟ^改進制作工藝來改善。因此，可以認為制作的光纖閾值溫度傳感器滿足了設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

實驗證明設(shè)計制作的光纖閾值溫度傳感器，在55 ℃以下時，回波損耗為15.0 dB左右，在60 ℃以上時，回波損耗為26.0 dB左右，實現(xiàn)了閾值溫度傳感的目的。這種閾值溫度傳感器，雖然功能單一，但具有安全性好、成本低、安裝方便等優(yōu)點，可以在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到應(yīng)用。

設(shè)計的光纖閾值溫度傳感器還有很大的改善余地。下一步的研究工作，考慮將石蠟換為其他不同融化溫度的材料，如松脂、蜂蠟、硫代硫酸鈉等；將水替換為酒精、丙酮、酸醋等其他折射率和凝固點的液體，從而設(shè)計制作出更多種類的傳感器，以適應(yīng)更多不同的應(yīng)用場合。

[1] 張穎,張娟,郭玉靜,等.分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007(8):1-3.

[2] 周正仙.分布式光纖溫度傳感器的設(shè)計和優(yōu)化[D].上海:上海交通大學,2009:1-17.

[3] 吳敏.基于長距離準分布式FBG傳感器的光纖圍欄報警系統(tǒng)[D].重慶:重慶大學,2007:1-112.

[4] 時斌.光纖傳感器在高壓設(shè)備在線測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2007,33(8):169-173.

[5] 王忠東,閆鐵,王寶輝,等.光纖式輸油管道安全預(yù)警系統(tǒng)[J].光學技術(shù),2008,34(4):579-582.

[6] 魏康林,高小新,羅志會,等.基于OTDR和SMA原理的分布溫度閾值執(zhí)行器的設(shè)計[J].大學物理,2007,26(10):40-46.

The Design of Fiber Threshold Temperature Sensor Based on Return Loss Measuring

YANGXing1NIYanhai2

(1.Mechatronic-Electronic Institute of Hankou College, Wuhan 430212, China;2. Guilin Laser Communication Research Institute, Guilin Guangxi 541004, China)

One kind of optical fiber threshold temperature sensor was designed. Below the threshold temperature, the return loss of the sensor will be maintained at a fixed value; while over the threshold temperature, the return loss of the sensor is maintained at another fixed value. The sensor system host will be constantly measuring the return loss of the sensor; once great changes occurred, the temperature of the monitored area would be thought to reach its threshold. Several sensor samples were made of single mode fiber jumper, paraffin and water. The experimental results show that the sensors basically meet the design requirements, which can achieve the purposes of threshold temperature sensing.

temperature sensor; return loss; threshold temperature

2016-02-03

2013年湖北省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃本科項目“新一代信息技術(shù)”(080705)

楊興(1983 — )，男，碩士，講師，研究方向為光電子器件的設(shè)計和開發(fā)。

TP212.1

A

1673-1980(2016)05-0120-03